甲基化动态变化能够决定细胞命运

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甲基化动态变化能够决定细胞命运

/ ~5 @2 }$ W' L4 fnaturalkillerce导语：血干细胞和不同血细胞系细胞中，非甲基化区域的核心部分是共享和共有的，但是附近的区域，有时也称作CpG岛海岸(CpG shore)---CpG岛附近的外围区域---在宽度上存在显著不同，并借助潮汐现象来描述CpG海岸线的收缩和拓宽。这些非甲基化区域的宽度依赖于与该区域相关联的基因，而且在血细胞中这些变化是细胞系特异性的，此外非甲基化区域拓宽存在方向偏好性。研究还表明甲基化状态的动态变化是可能的。研究小组观察到，血干细胞甲基化模式是居中甲基化(intermediately methylated)的，似乎处于两种极端的甲基化和非甲基化状态的动态平衡之中，即甲基化事实上可能是双向的。最后，研究还发现，尽管非甲基化区域倾向于与能够表达的附近基因相关联，但是研究小组还发现许多非甲基化区域所在的位置远离任何已经标注的基因座位，但关于这些区域有一种显著性特征就是它们高度富含参与染色质组装的特异性调控分子的结合位点。现编译如下：4 W3 N$ {! I4 b; ~

, y" P3 q7 _5 A, _2 D研究结果：/ n/ S7 U* \1 B# D. z& C
来自冷泉港实验室(Cold Spring Harbor Laboratory, CSHL)和南加州大学(University of Southern California, USC)的科学家们已发现新的有趣证据，有助于解释决定干细胞命运的众多途径中的一种途径。新的实验数据表明甲基基团如何对DNA序列进行标记---该过程称作甲基化---能够影响干细胞将分化为的细胞类型。人们一直认为这种细胞成熟过程(也称作分化)受甲基化影响。如今，科学家们在一小部分特定细胞类型中已观察到并密切检查甲基化模式(methylation pattern)的微妙变化，从而揭示出一些有趣的机制在这一过程中发挥作用。* q. d7 n& |- ^  q6 o
该研究于2011年10月7日发表在Molecular Cell杂志上。
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) m+ f# Z4 k5 d2 i& O$ U# ~5 U在冷泉港实验室教授和HHMI研究员Gregory Hannon的实验室工作的博士后Emily Hodges领导一个研究小组研究在血干细胞中甲基化变化如何能够影响一个给定的干细胞是分化为骨髓细胞(myeloid cell)还是淋巴样细胞(lymphoid cell)---它们是成熟血细胞中两种主要的细胞系。
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* C! k" V1 W6 B1 v0 n& ?+ i; ]研究结果之一：血干细胞和不同血细胞系细胞中非甲基化区域存在共享核心区域，但宽度存在显著差异，而且宽度变化是细胞系特异性的
+ W- K  l" q1 h1 T/ N  s* w. j缺乏甲基化的区域，也称作非甲基化区域(hypomethylated regions, HMRs)倾向于与所谓CpG岛相一致，其中CpG岛是基因组中相邻的Cs和Gs---胞嘧啶和鸟嘌呤核苷酸---作为成串的重复序列而存在。这些非甲基化区域也往往是那些与附近能够表达的基因相关联的区域。相反，基因组中甲基化位点上的DNA序列是典型地不表达的。/ }2 i9 S; K* W6 F

7 O- Q$ |5 D& n8 r" P研究小组对血干细胞和不同血细胞系细胞中这些非甲基化区域进行高分辨率的研究，发现在很多情形下，非甲基化区域的核心部分是共享和共有的，但是附近的区域，有时也称作CpG岛海岸(CpG shore)---CpG岛附近的外围区域---在宽度上存在显著不同。这里，研究小组对CpG岛和海岸的概念做了进一步明确限制，以便更好地将CpG海岸线(shoreline)的变窄和加宽描述为潮汐现象。7 v6 F5 V) y/ _+ D+ u3 d1 U/ z
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Hodges解释道，这些非甲基化区域的边界能够向内退缩和向外延伸，就像潮水一样，关键问题在于是什么驱动这些变化发生，他们发现这些区域的宽度依赖于与该区域相关联的基因，而且在血细胞中这些变化是细胞系特异性的。
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研究小组在对含有从其他研究中已知的在淋巴样细胞特异性表达(但不在骨髓细胞中表达，或者只在骨髓细胞中特异性表达，但在淋巴样细胞中不表达)的基因的基因组区域进行密切的甲基化模式研究。在这些情形当中，所有的血细胞共享一个狭窄的非甲基化核心区域，但只在一个细胞系中非甲基化区域加宽---这一加宽将使隐藏在加宽区域中的基因的启动子发挥作用，从而让细胞启动基因表达。换言之，在一个更宽的区域中缺乏甲基化能够激活隐藏加宽区域中的基因---只在一个特定的细胞系中，但不是在其他细胞系中。& Q! d* ~) e2 J+ U3 D2 g
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研究结果之二：甲基化变化存在方向偏好性和双向的动态变化4 y' ^1 Z; ]; ~: P0 a8 \' H
另一个显著性的观察结果就是这种非甲基化区域拓宽存在方向偏好性。比如，在淋巴样细胞中看到的非甲基化区域的加宽过程中，加宽的方向指向隐藏在加宽区域中的基因占据的区域，而且在这种细胞当中，该基因编码B细胞表面标记蛋白CD22。; v: V' j/ u4 W

" h  X* l9 N- g3 L人们通常认为甲基化是一个稳定的表观遗传标记，其甲基化变化是单向的，再者当细胞沿着分化过程转变为它们的成熟细胞时，它们的甲基化将不断增加。但是实际上，人们唯一知道的细胞甲基化的主动变化方向就是从一个非甲基化状态变为一个甲基化状态。
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' h( v8 L1 [  G4 o, p1 v6 \然而这项新的研究数据表明，甲基化状态的动态变化是可能的。研究小组观察到，血干细胞甲基化模式是居中甲基化(intermediately methylated)的，似乎处于两种极端的甲基化和非甲基化状态的动态平衡之中。
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' [' \; N+ T5 I  M) M" d8 T以上研究结果表明存在这种可能，即甲基化事实上可能是双向的，也可能存在一种尚未发现的进行去甲基化的主动机制。不过，没有已知的酶有这种移除DNA上甲基基团的能力；DNA甲基转移酶是众所周知的能够催化甲基基团加入DNA中的酶。# \6 M# a; h: w$ c0 b  ]4 n
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研究结果之三：许多非甲基化区域所在的位置远离任何已经标注的基因座位，高度富含参与染色质组装的特异性调控分子的结合位点
! g4 N. B. f+ z3 k) Q+ e8 A然而研究小组的另一个意料之外的发现是关于非甲基化区域相对于已知的基因区域的位置。尽管非甲基化区域倾向于与能够表达的附近基因相关联，但是研究小组还发现许多非甲基化区域所在的位置远离任何已经标注的基因座位。Hodges解释道，这些区域的一种显著性特征就是它们高度富含参与染色质组装的特异性调控分子的结合位点。
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" K7 q6 F6 x' ~+ W. C" w染色质是由DNA和组蛋白复合体组成，其中基因组DNA围绕着组蛋白复合体进行组装。在一个给定的细胞中，染色质结构像甲基化一样有助于确定特异性基因能否表达。
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, y. p7 b* V; P5 L' `( V研究意义：
' {$ {, h7 p: e9 v7 N' r意义之一：该研究挑战了当前一直坚持的关于甲基化如何运作的理论。首先，它表明甲基化模式要比人们经常认为的更具动态性。Hodges解释道，这不是甲基化在基因组给定位点开或关的问题，相反地，在没有甲基化标记的DNA区域的边界存在有意思的甲基化波动，而这就能够对细胞命运产生深刻的影响。  p, O" }# V5 h* T$ x

. C3 y/ O$ ~2 K2 U* B5 l3 ^' g6 W意义之二：甲基化事实上可能是双向的，也可能存在一种尚未发现的进行去甲基化的主动机制。
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意义之三：尽管非甲基化区域倾向于与能够表达的附近基因相关联，但是研究小组还发现许多非甲基化区域所在的位置远离任何已经标注的基因座位，而且这些区域的一种显著性特征就是它们高度富含参与染色质组装的特异性调控分子的结合位点，在染色质组装上招募特异性调控分子结合，从而影响染色质的结构，导致相关基因表达或关闭。
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不足之处：8 A4 Z( `  E* n, e4 t( D' Z
血干细胞甲基化模式是居中甲基化(intermediately methylated)的，似乎处于两种极端的甲基化和非甲基化状态的动态平衡之中，从而表明甲基化事实上可能是双向的，也可能存在一种尚未发现的进行去甲基化的主动机制。但是没有已知的酶有这种移除DNA上甲基基团的能力。而且也有相关研究(具体见“华裔科学家证实小鼠精子重编程中一个重要的步骤”：http://www.stemcell8.cn/thread-46737-1-1.html)表明精子DNA去甲基化是先将甲基变成羟甲基，然后在胚胎发育中是随着细胞DNA复制和细胞分裂而不断被稀释掉的，即精子DNA去甲基化是一个被动的过程。而另一些报道
8 D: `3 }4 d1 w4 [(“张毅研究组：生殖细胞重新编程酶研究获进展”：http://www.stemcell8.cn/thread-46868-1-2.html)也表明人类和小鼠都拥有Tet蛋白，研究发现这种蛋白在DNA脱甲基过程和干细胞重新编程方面起关键作用，而且能将受精卵中的5-甲基胞嘧啶氧化成5-羟甲基胞嘧啶。最新的这项研究则进一步发现Tet蛋白能将受精卵中的5-羟甲基胞嘧啶氧化成5-羧基胞嘧啶。研究人员还通过一系列的实验，证明虽然5-甲基胞嘧啶向5-羟甲基胞嘧啶转变的过程是一个酶催化过程，但是在胚胎植入前，5-羟甲基胞嘧啶的丢失可能是依赖于DNA复制的被动过程。研究人员还并不清楚为什么雄性DNA会有这样的初步转变过程，而雌性的DNA没有。# A9 O8 f9 B7 f7 e) ?; h$ p& ]

6 N! s' k" k/ h- d这两者相互冲突，如何调和？依然是个未知数，另外，就算是存在一种去甲基化的主动机制，但是这种机制如和发生，需要哪些酶，人们仍不可知。更何况，早就有不少人去寻找相关的去甲基化酶，但是迄今为止还没有发现。

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该新闻的英文以及相关信息，可参见“细胞命运决定过程中的甲基化动态变化”http://www.stemcell8.cn/thread-46917-1-1.html。在此感谢sunsong7提供英文信息，因为感兴趣就编译了一下。

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